雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬技術(shù)

許文忠，張陽陽，王梓斌，王 勇，趙樂至

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬是雷達(dá)調(diào)試與跟蹤試驗(yàn)的一項(xiàng)重要技術(shù)工作。該工作主要完成雷達(dá)對(duì)固定航路的已知回波起伏目標(biāo)進(jìn)行跟蹤模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)跟蹤精度進(jìn)行檢查，是進(jìn)行任務(wù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的前提條件。傳統(tǒng)的跟蹤模擬是對(duì)任務(wù)航段的雷達(dá)雜波進(jìn)行掃描，對(duì)目標(biāo)的的回波特性進(jìn)行理論估算，存在著諸如數(shù)據(jù)處理量大、周期長(zhǎng)等缺陷。本文提出一種新的雷達(dá)跟蹤模擬方法，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)目標(biāo)的真實(shí)環(huán)境下目標(biāo)的跟蹤模擬。

1 雷達(dá)工作原理

雷達(dá)系統(tǒng)使用調(diào)制波形和方向性天線來發(fā)射電磁能量到空間的特定區(qū)域搜索目標(biāo)，組成框圖如圖1 所示。雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生所需強(qiáng)度的高頻脈沖信號(hào)，并將高頻信號(hào)饋送到天線發(fā)射出去，觀測(cè)目標(biāo)波散射回波，雷達(dá)天線接收到目標(biāo)散射的微弱射頻信號(hào)，高頻接收組件將接收到的信號(hào)放大后送入微波濾波器，濾波后的信號(hào)進(jìn)入混頻器進(jìn)行下變頻，將信號(hào)變成第一中頻，之后進(jìn)行二次混頻，形成反射中頻信號(hào)，經(jīng)放大和檢波，送入信號(hào)處理器與顯示設(shè)備。以上的操作均在雷達(dá)主控計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)組成

2 雷達(dá)目標(biāo)模擬器

雷達(dá)目標(biāo)模擬器在設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)走_(dá)系統(tǒng)的過程中，模擬雷達(dá)回波信號(hào)代替實(shí)際的雷達(dá)回波信號(hào)，處理多普勒模糊和距離模糊等技術(shù)要求，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)過程中所需的費(fèi)用。

模擬器根據(jù)目標(biāo)的軌跡參數(shù)［1］，目標(biāo)的時(shí)延，多譜勒頻率及相關(guān)參數(shù)，模擬線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、相位編碼等復(fù)雜雷達(dá)信號(hào)回波，模擬靜止、勻速、勻加速及變加速等目標(biāo)回波，可以設(shè)置目標(biāo)起始距離、終止距離、速度、加速度、多普勒頻率、目標(biāo)起伏特性、目標(biāo)消隱等。實(shí)現(xiàn)任意可能的目標(biāo)航跡。

目標(biāo)模擬器分為4 個(gè)部分［2］:①和、差信號(hào)形成器;②微波信號(hào)源;③和、差信號(hào)控制器;④航路產(chǎn)生器。

圖2 雷達(dá)模擬器系統(tǒng)

1)距離模擬

雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)將目標(biāo)斜距R 值送測(cè)距機(jī)，測(cè)距機(jī)按R值生成模擬目標(biāo)距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

模擬器目標(biāo)脈沖具有一定時(shí)間延遲的目標(biāo)回波。雷達(dá)接收到目標(biāo)反射的回波與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間延遲，反映了目標(biāo)對(duì)雷達(dá)天線的徑向距離。在無距離模糊的情況下，目標(biāo)的徑向距離R 與延遲時(shí)間t 之間的關(guān)系為

式中:C 為電波在空中的傳播速度約3 ×108m/s;R 為目標(biāo)的徑向距離。

在有距離模糊的情況下目標(biāo)的徑向距離R 與延遲時(shí)間t之間的關(guān)系式變?yōu)?/p>

式中:RT為重頻周期對(duì)應(yīng)的距離值;N 為模糊周期。

將雷達(dá)主控機(jī)產(chǎn)生的距離碼R 轉(zhuǎn)換為延遲目標(biāo)脈沖;用R 距離值控制目標(biāo)中頻/射頻脈沖幅度，從而形成距離因子A的模擬。

目標(biāo)回波隨距離的衰減特性可由雷達(dá)方程確定，將雷達(dá)方程化簡(jiǎn)為

式中:C0為由雷達(dá)參數(shù)確定的常數(shù);Pr為目標(biāo)回波的功率(W);R 為目標(biāo)到雷達(dá)的距離(m)。

雷達(dá)接近目標(biāo)回波的功率與目標(biāo)到雷達(dá)的距離R4成反比［3］。

圖3 回波脈沖形成功能

距離因子的模擬在射頻實(shí)現(xiàn)，用距離數(shù)控衰減器來控制射頻脈沖幅度變化來模擬。由于目標(biāo)距離不同，接收信號(hào)強(qiáng)弱變化。

2)目標(biāo)角度模擬

目標(biāo)角度模擬是實(shí)時(shí)模擬由于天線掃描或目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，使天線波束相對(duì)目標(biāo)位置不斷改變而造成接收雷達(dá)回波信號(hào)變化。角度模擬主要是對(duì)雷達(dá)天線方向性圖的模擬。所以角度模擬輸出U(θ)可表示為［4］

式中:Eθ為波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)接收信號(hào)歸一化值;F(θ)為雷達(dá)天線方向性圖函數(shù)。

目標(biāo)角度模擬是按目標(biāo)角度特性對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行方向幅度加權(quán)及相位變化來逼真地模擬目標(biāo)角度信息。目標(biāo)角度特性包括目標(biāo)的方位角、俯仰角。

角度模擬原理框圖見圖4。

圖4 角度模擬原理

3)多普勒模擬

當(dāng)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)作徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波產(chǎn)生多普勒的頻移，雷達(dá)用測(cè)量多普勒頻率或目標(biāo)回波距離上的時(shí)間變化率的方法進(jìn)行測(cè)速，所以目標(biāo)速度的物理特性模擬就是多普勒頻率的模擬。

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一位置時(shí)，多普勒頻率可表示為

式中:λ 為發(fā)射波長(zhǎng);ur為目標(biāo)徑向速度。

雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多普勒特性的模擬是提供一個(gè)同目標(biāo)距離相關(guān)的多普勒頻率，為了保證測(cè)速系統(tǒng)頻率穩(wěn)定跟蹤的要求，模擬的多普勒頻率在變化時(shí)其相位必須連續(xù)，否則將形成視頻干擾，破壞測(cè)速系統(tǒng)工作。

4)Swerling 2 型目標(biāo)RCS 模擬

RCS 是個(gè)起伏量，要正確地描述它的起伏，必須知道其概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)。概率密度函數(shù)p(σ)給出目標(biāo)截面積在σ 和σ +dσ 之間的概率，而相關(guān)函數(shù)則描述了雷達(dá)截面積在回波脈沖序列間的相關(guān)程度。Swerling 模型把典型的目標(biāo)模型起伏分為4 種類型:有2 種不同的概率密度函數(shù)，2 種不同的相關(guān)函數(shù)，一種是在天線一次掃描間回波起伏是完全相關(guān)的，而掃描至掃描間完全不相關(guān)，稱為慢起伏目標(biāo);另一種是快起伏目標(biāo)，它的回波脈沖在脈沖至脈沖間是完全不相關(guān)的。

模擬Swerling-2 型目標(biāo)RCS，根據(jù)雷達(dá)原理，該類型目標(biāo)的概率密度函數(shù)為

它描述的目標(biāo)的起伏特性為快起伏，脈沖間完全不相關(guān)。可以通過反函數(shù)法利用(0，1)均勻分布的隨機(jī)變量λ 產(chǎn)生負(fù)指數(shù)分布的隨機(jī)變量σ，對(duì)上式指數(shù)函數(shù)作積分

因此可得隨機(jī)變量數(shù)

可以證明λ 在(0，1)區(qū)間上服從均勻分布，σ 為均值為的指數(shù)分布隨機(jī)變量。利用產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)σ 來對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行調(diào)制，即可完成模擬功能。

5)航跡模擬

雷達(dá)工作在模擬狀態(tài)下，首先由雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)按照空中點(diǎn)目標(biāo)特性，運(yùn)算飛行軌跡實(shí)時(shí)生成目標(biāo)斜距R、方位角A、俯仰角E 等坐標(biāo)［5］。

距離的模擬方式:雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)將目標(biāo)斜距R 值送測(cè)距機(jī)，測(cè)距機(jī)按R 值生成模擬目標(biāo)距離脈沖，送頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生高頻脈沖，送射頻模擬器。

回波幅度的控制:射頻模擬器通過一個(gè)衰減器控制模擬信號(hào)的強(qiáng)弱，來模擬目標(biāo)回波的大小。

角度的模擬方式:射頻模擬器通過3 路分配器，將模擬信號(hào)一分為3 路，產(chǎn)生單脈沖和、差、差3 通道高頻模擬目標(biāo)信號(hào)。2 路差通道分別設(shè)一個(gè)數(shù)控衰減器和0/π 調(diào)相器。角度模擬是按天線差波束方向圖進(jìn)行的，按照模擬目標(biāo)方位、俯仰值與雷達(dá)天線方位、俯仰碼盤值的差值(E，A)分別去控制方位和俯仰2 個(gè)差信號(hào)的大小，根據(jù)差信號(hào)的符號(hào)進(jìn)行0/π 控制。

E，A 符號(hào)位表示偏離方向，在輸出信號(hào)中表示和信號(hào)與差信號(hào)的0/π 相位關(guān)系

假設(shè)K=1，Δθ=0.05 mrad，θ0=1/2 波束寬度，可得Δ/Σ=-43 dB，所以數(shù)控衰減63 dB。

3 路各安置隔離器，保證3 路間隔離度，和差支路都設(shè)放大器，補(bǔ)償0/π 調(diào)相器及數(shù)控電調(diào)衰減器的起始衰減，保證高頻接收機(jī)的需要。

3 雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬設(shè)計(jì)

雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬的主要設(shè)計(jì)思路是雷達(dá)在發(fā)射機(jī)開機(jī)狀態(tài)下，將環(huán)境反射信號(hào)與模擬器模擬的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行功率合成。組成示意圖如圖5 所示。

圖5 雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬組成示意圖

模擬器產(chǎn)生的目標(biāo)信號(hào)通過定向耦合器加到主訊道和、方位差、仰角差功率的合成信道上［2］。當(dāng)航路產(chǎn)生器輸出一個(gè)已知目標(biāo)軌跡，設(shè)目標(biāo)角度的參數(shù)為θm，而雷達(dá)實(shí)際所處位置的角度為θR。令θm-θR=Δθ，當(dāng)Δθ 越大，則產(chǎn)生的角誤差越大，這個(gè)角誤差信號(hào)通過接收機(jī)處理后送入伺服，使天線向θm方向轉(zhuǎn)動(dòng)，θm變化時(shí)，θR也隨著變化，并始終使Δθ趨向最小或0，這就是角度模擬。距離模擬是按照反射式雷達(dá)方程來計(jì)算的，通過距離延時(shí)器改變模擬信號(hào)源輸出模擬脈沖信號(hào)的時(shí)間，產(chǎn)生距離上的時(shí)間模擬。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射出去，由環(huán)境反射的回波信號(hào)由天線接收，經(jīng)高頻接收機(jī)、中頻接收機(jī)，將和、方位差、仰角差信號(hào)通過定向耦合器加到功率合成信道上。由此實(shí)現(xiàn)了在天線掃描到某一方位，對(duì)于此方位上每一個(gè)距離單元，模擬的目標(biāo)回波與實(shí)際環(huán)境的雜波回波疊加起來。

為保證模擬器與雷達(dá)同步工作，雷達(dá)使用頻率綜合器。頻率綜合器產(chǎn)生第一本振信號(hào)、第二本振信號(hào)、中頻接收機(jī)控制時(shí)鐘信號(hào)、連續(xù)波基準(zhǔn)信號(hào)、中頻采樣時(shí)鐘信號(hào)、發(fā)射微波激勵(lì)信號(hào)以及模擬器需要的中頻信號(hào)。頻率綜合器分為2部分:發(fā)射頻綜;接收頻綜。發(fā)射頻綜輸出包括:發(fā)射激勵(lì)信號(hào)、中頻信號(hào)、中頻采樣時(shí)鐘和中頻控制時(shí)鐘、模擬器需要的連續(xù)波信號(hào)、同步器時(shí)鐘基準(zhǔn)連續(xù)波信號(hào)。接收頻綜包括:第一本振信號(hào)、第二本振信號(hào)。

4 結(jié)束語

目前實(shí)驗(yàn)對(duì)航路規(guī)劃的要求越來越高，雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模擬是航路規(guī)劃中一個(gè)關(guān)鍵問題。在實(shí)際工程中，通過上述方法研制了某型相控陣?yán)走_(dá)視頻回波模擬器，并進(jìn)行了安裝調(diào)試，在發(fā)射機(jī)開機(jī)狀態(tài)下，由雷達(dá)信號(hào)模擬器模擬目標(biāo)回波起伏，信號(hào)貫入雷達(dá)接收機(jī)，與雷達(dá)環(huán)境回波進(jìn)行疊加，該模擬器所模擬的視頻回波各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求，達(dá)到較高的準(zhǔn)確度，獲得滿意的試驗(yàn)訓(xùn)練效果。

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